(完整版)数字麦克风

数字麦克风潮流势不可当

摘编自“郑虎鸣等文稿”

由于今日的可携式装置普遍具备多模无线通讯功能，使得麦克风组件本身抵抗射频与电磁波干扰的能力更受重视。数字麦克风的崛起，遂成大势所趋。

随着信息技术的日益发展，各类电子系统中数字电路所占比重越来越大，尤其在个人计算机(PC)的多媒体影音应用及3G手机应用市场上，对声音讯号的输入质量及抗外界各种干扰的能力都带来了更高的要求。这些要求靠传统模拟麦克风本身声学性能的改进已经难以奏效，必须透过结合数组式麦克风架构与音讯数字讯号算法的处理后，才可以较理想地达到消除回声、噪声、增强波束指向性等效果。模拟数字转换是导入数字讯号处理技术的前提，因此数字麦克风的市场需求前景是毋庸置疑的。

数字模拟转换器助力麦克风数字化发展

数字麦克风，顾名思义就是直接输出数字脉冲讯号的麦克风电声组件。从应用角度来划分，可以分为两类：一种为USB接口的麦克风，其电声组件的输出格式仍为模拟讯号，经过模拟数字转换(A/D Convert)及通用序列总线(USB)接口芯片后，转换为个人计算机所能接受的数字讯号接口，此类麦克风多为个人计算机的接口设备，如USB接口手持麦克风、USB接口耳机麦克风等，严格说来此类麦克风应称为数字接口麦克风。另一类为真正的数字麦克风，则是指内建前置增益(Pre Amp)及A/D编码芯片的麦克风电声组件，其输出讯号格式是数字脉冲讯号，可以直接与相应的编译码芯片(CODEC)接口传输数字讯号，本文重点介绍此类数字麦克风原理及应用。

事实上，所有真实世界的讯号都是模拟讯号，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像讯号。模拟电子讯号则是随时间连续变化的电磁波，利用电磁波的描述参数(如振幅、频率或相位等)来表示要传输的数据，其数值可以是无限多个。数字讯号则是一种离散讯号，透过电压脉冲表示要传输的数据，其数值是有限的。数字数据则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音讯与视频数据。数字麦克风便是将采集到的声压这一连续变化的模拟物理量，直接转换为特定编码格式的数字脉冲讯号输出，供信息设备进行加工处理。

目前市场上芯片供货商所提供的内置式数字麦克风芯片普遍采用模拟数字转换编码格式，此编码格式亦与相关接口应用设备采用的数字讯号处理器(DSP)及编译码处理芯片的数字音讯输入格式相兼容。

转换采用过取样技术，将讯号按时间分割，保持振幅恒定，具有高取样率、噪声整形和位数长短的特点。转换的工作可以在低取样率、高分辨率的量化器或者高取样率、低分辨率的量化器中进行，在数字音讯中应用很广泛，如用于音讯讯号数字化的模拟数字转换器(ADC)及可将已经数字化处理后的音讯讯号还原为模拟声音讯号的数字模拟转换器(DAC)。根据其所采用的具体结构，转换还可分为1位或多位转换，目前数字麦克风普遍使用的 ADC采用1位转换技术，克服了采用较多比特数时所带来的量化非线性误差、纠错困难的缺点。

以灯泡的比喻来说明1位转换与多位转换(在此以16位为例)之间的差异，可方便读者掌握其差异。传统的转换器像十六个电灯泡，连接到各自的开关上，每个灯泡又有不同的开关状态，用各种组合方式可以得到216=65,536种不同的结果。

然而，不同灯泡间的亮度差会引入误差，也因为误差的缘故，即使亮灯的数目一样，某种组合所产生的亮度跟其它组合相比，可能会稍亮或稍暗些；1位转换技术则是完全不同的概念，不用那么多灯泡和开关，只用一个灯泡和一个开关。房间亮度的变化可以通过简单的改变开、关灯泡的次数来得到。如果灯泡开的次数增加，房间的亮度就会增加。因此，1位转换跟多位转换最明显的区别便是增加取样的频率。

转换是将讯号按时间分割，保持讯号振幅恒定。它用高电位或低电位的脉冲表示讯号，例如可以采用脉冲密度调变(PDM)，产生出恒定振幅脉冲讯号，不论电位高低都能够重建输出讯号波形。数字麦克风与传统麦克风的最大区别，在于采用了ADC转换IC芯片取代了传统麦克风中的场效应晶体管(FET)，从而实现了数字讯号的直接输出。

可以看出，数字麦克风的核心组件是内建的模拟数字转换器，该芯片完全取代了传统的场效应管(FET)，并实现模拟讯号到数字讯号的转换功能。ADC芯片是一支六接脚的微型组件，外观尺寸多为长宽1毫米、厚度0.3毫米左右，如此微小的体积使其足可以装入直径为4毫米的微型麦克风之中。

与传统麦克风的两支接脚结构不同，数字麦克风一般具有四至五支接脚，其功能分别为电源输入(VDD)、地线(GND)、参考频率输入(CLK)、数据输出(DATA)、左右声道输出讯号选择(L/R)。根据客户需求，有些供货商提供将L/R选择端设计成内部连接，而形成四接脚结构的方案，也有些芯片供货商同时供应不同型号的L或R声道芯片供客户选用。

一般来说，手机具有一个通讯处理器和一个应用处理器，这两个处理器用于实现上述所有音讯功能。然而，这种整合了所有可能的控制、数据接口、音讯格式选择的状况，导致手机中数字音讯高度分立的架构。为了帮助减轻架构上的障碍、提高效率，多家手机大厂成立了行动处理器接口联盟(MIPI)以规划下一代手持设备的设计。该联盟将为手持设备中的包括音讯在内的各种不同功能制定接口标准。但是在MIPI推出统一标准之前，手机将采用如图7的音讯架构。

与模拟麦克风相比，数字麦克风可以提供更好的讯噪比(SNR)以及更好抗射频和电磁波干扰能力。在数字麦克风或传统的驻极体电容(ECM)麦克风之后，加上一个模拟数字转换器电路，将在额定的取样速率输出条件下直接向新总线提供音讯取样。数字麦克风的数据可以直接由手机中央处理器(CPU)透过软件进行控制，以提供多种语音处理功能。另一路数字麦克风可以很容易地附加到总线中，以实现立体声录音，或作为麦克风数组的一部分实现噪声抑制或波束定向成形技术，以增强转换收听端的通讯体验。

由于数字麦克风大部分应用于立体声或数组模块的模式，所以在内置模数转换芯片中一般均设计有左右输出讯号选择端。用户只须将数字麦克风L/R选择端分别接GND与VDD即可。在一个完整频率周期内，DATA-L 与DATA-R讯号时序相差半个频率周期，这样接口编译码器只须在输入的数字流中靠脉冲讯号的时序即可准确分选出左、右数字麦克风的输出讯号。数字麦克风应用时大多处于两种输出状态，若采用单支麦克风应用方式输出时，只须将L/R选择端接地即可；若采取两支麦克风组成立体声或数组组合应用，两支麦克风以并联形式共享一组数据线输出，在这种条件下可由用户将两支麦克风分别设为左置麦克风与右置麦克风输出即可。

数字脉冲讯号输出强度要远大于传统模拟ECM麦克风讯号，因此在产品设计中可以不必为防止电磁干扰而必须要求采用屏蔽线及联机长度的考虑而费心，而这些正好是设计工程师以往利用模拟麦克风进行系统产品开发时最大的顾虑。因此，导入数字麦克风除了可以降低硬件成本外，也可节省研发人员宝贵的时间，可说是一举数得。

此外，值得一提的是，数字麦克风在没有频率输入期间可以自动进入省电休眠状态，系统设计工程师可以利用这项特性设计出更省电的音讯接收系统，这一功能非常适合于采用电池供电的可携式设备。

数字麦克风已成大势所趋，模拟方案全面退场指日可待

市场潜力巨大的笔记型计算机与手机市场将是数字麦克风的最大用户，因为数字麦克风输出的是数字讯号，而数字模拟转换电路之外，软件、协议、硬件接口的匹配等配套条件的日趋成熟，则进一步开启了实现数字麦克风应用的大门。

笔记型计算机与手机采用数字麦克风已是大势所趋。基于上述认知，有远见的生产厂商正在调整自己的发展策略,根据市场需要和自身发展，制定前瞻性策略，在完善的传统麦克风开发、生产基础上，进行数字麦克风产品(硅基式、组装式)设计、生产验证，为未来数字麦克风的大规模生产、应用做好准备。